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用于控制反应堆设备和 核反应堆设备中的 氧气浓度的方法和装置

阅读：1015发布：2020-06-02

专利汇可以提供用于控制反应堆设备和核反应堆设备中的氧气浓度的方法和装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种用于调节反应堆设备的冷却介质中的氧气浓度的方法和系统，该反应堆设备包括反应堆、位于所述反应堆中的冷却介质、气体系统、质量交换装置、分散器和用于感测冷却介质中的氧气浓度的传感器。该方法包括由系统执行的以下步骤：估算氧气浓度；将氧气浓度与可容许值进行比较；估算氧气浓度的变化；如果浓度降低，则将降低值和/或降低速率与相应的阈值进行比较；如果氧气浓度的降低值和/或降低速率低于阈值，则激活质量交换装置；如果氧气浓度的降低值和/或降低速率高于阈值，则将含氧气体从气体系统馈送到冷却介质周围的空间和/或激活分散器。技术效果：使冷却介质中的氧气浓度的调节更加可控，并且提高反应堆设备的安全性和使用寿命。，下面是用于控制反应堆设备和核反应堆设备中的氧气浓度的方法和装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种反应堆设备的冷却介质中的氧气浓度的控制系统，其特征在于，所述反应堆设备包括反应堆、位于所述反应堆中的所述冷却介质、具有朝向所述反应堆的近冷却介质空间的出口的气体系统、置于所述冷却介质中的质量交换装置、分散器、以及位于所述冷却介质中的氧气传感器，所述质量交换装置包含所述冷却介质的固相氧化物并且适于使所述冷却介质流过它，所述分散器部分置于所述冷却介质中并且部分置于所述近冷却介质空间中并且适于从所述近冷却介质空间向所述冷却介质供应气体，
此外，所述控制系统包括：
用于估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的模块，其适于：接收来自所述冷却介质中的所述氧气传感器的数据、基于接收到的所述数据来估算所述冷却介质中的所述氧气浓度、并且将所述冷却介质中的所述氧气浓度的估算值传送到用于将估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度与可容许值进行比较的模块；
用于将估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度与所述可容许值进行比较的所述模块，其适于：接收来自用于估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述模块的估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度并且将其与所述可容许值进行比较；
用于估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的降低的模块，其适于：估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的降低值和/或降低速率以及将估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低值和/或所述降低速率传送到用于比较估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低的模块；
用于比较估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低的所述模块，其适于：接收估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低值和/或所述降低速率并且将其与相应的阈值进行比较；
用于控制所述质量交换装置的模块，如果估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度低于所述可容许值并且如果估算的所述氧气浓度的变化值和/或变化速率低于所述相应的阈值，则用于控制所述质量交换装置的所述模块可以激活所述质量交换装置；
用于控制所述气体系统和/或所述分散器的模块，其适于：如果估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度低于所述可容许值并且如果估算的所述氧气浓度的所述变化值和/或所述变化速率高于所述相应的阈值，则通过向所述近冷却介质空间供应含氧气体来激活所述气体系统和/或激活所述分散器。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低的所述模块适于：基于从用于估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述模块接收到的估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度来估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低值和/或所述降低速率。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，用于估算所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低的所述模块适于：确定所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低并且将信息传送至用于比较估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度的所述降低的所述模块和/或用于控制所述质量交换装置的模块和用于控制所述气体系统和/或所述分散器的所述模块。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，如果估算的所述冷却介质中的所述氧气浓度达到或超过所述可容许值，则用于控制所述质量交换装置的所述模块适于停用所述质量交换装置并且用于控制所述气体系统和所述分散器的所述模块适于停用所述分散器和/或停止从所述气体系统向所述近冷却介质空间供应含氧气体。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，用于控制所述气体系统和所述分散器的所述模块适于从所述气体系统向所述近冷却介质空间供应无氧气体。
6.一种核反应堆设备，所述核反应堆设备包括：
反应堆，
位于所述反应堆中的冷却介质，
具有朝向所述反应堆的近冷却介质空间的出口的气体系统，
置于所述冷却介质中的质量交换装置，所述质量交换装置包含所述冷却介质的固相氧化物并且适于使所述冷却介质流过它，
分散器，所述分散器部分置于所述冷却介质中并且部分置于所述近冷却介质空间中并且适于从所述近冷却介质空间向所述冷却介质供应气体，
位于所述冷却介质中的氧气传感器，
所述反应堆设备适于使用根据权利要求1-5中任一项所述的系统来控制冷却介质中的氢气浓度。

说明书全文

用于控制反应堆设备和 核反应堆设备中的 氧气浓度的方法和

装置

技术领域

[0001] 本发明涉及核能工业和核反应堆设备，并且更具体地涉及具有液态金属冷却介质的核反应堆设备(ядерным реакторным установкам)。同时，本发明还可以被应用于各种非核反应堆设备。

背景技术

[0002] 具有液态金属冷却介质的核反应堆设备的关键问题之一是反应堆结构材料的腐蚀。为了防止腐蚀，使用形成保护性氧化物涂层的技术。反应堆结构材料(例如，钢)的耐腐蚀性取决于这些涂层的完整性。

[0003] 应当指出的是，所提及的问题可能发生在具有非液态金属冷却介质的核反应堆设备和非核反应堆设备中。尽管本发明相对于具有液态金属冷却介质的核反应堆设备进行了描述，但是本发明也可以用在具有非液态金属冷却介质的核反应堆设备和非核反应堆设备中。

[0004] 氧气传统上被用于形成氧化物涂层。当反应堆设备运行时，结构材料的组分(例如铁、铬以及其它)扩散到冷却介质中。由于所提及的结构材料的组分对氧化剂(例如，氧气)具有较高的化学亲和力，所以冷却介质中结构材料的铁、铬以及其它组分的浓度的增加使氧化剂(例如，氧气)的浓度降低。这可能导致保护性氧化物涂层的溶解，这将显著提高腐蚀速率。因此，为了将腐蚀速率降低到确保反应堆设备在安全模式下长期运行的最低水平，需要向冷却介质供应氧化剂以将其浓度增加到保护性氧化物涂层不被溶解在冷却介质中这样的水平。在这方面，氧气是相当合适的氧化剂，因为它可以以气体或不同材料(例如，制成冷却介质的那些)的氧化物的形式被供应到冷却介质中。

[0005] 鉴于上述情况，重要的是控制和保持冷却介质中氧化剂的所需浓度，特别是氧气的浓度，使得与冷却介质接触的反应堆内表面上的保护性氧化物涂层不被溶解在冷却介质中，从而防止反应堆材料的腐蚀。由于氧气被不断地消耗用于扩散到冷却介质中的结构材料的铁、铬以及其它组分的氧化，所以为了将氧气浓度保持在确保反应堆材料的最小腐蚀速率的规定范围内，氧气应当被供应到冷却介质中，例如，当达到规定范围的下限或氧气浓度降低到低于可容许水平时。

[0006] 专利RU2100480(1997年12月27日公告)公开了用于增加冷却介质中氧气浓度的这样的方法，将与惰性气体混合的氧气注入到冷却介质表面上方的保护性气体中或直接注入到冷却介质中，以及溶解冷却介质中的冷却介质组分氧化物。

[0007] 然而，上述专利所描述的方法具有这样的缺点：不可能控制氧气注入到冷却介质中(冷却介质中氧气浓度的增加)，即：氧气供应的开始/结束和冷却介质氧化物的溶解、测量冷却介质中氧气浓度的速率，即：将要供应的氧气和将要溶解的冷却介质氧化物的体积。此外，当向冷却介质表面上方的大量保护性气体供应与惰性气体混合的氧气时，氧气扩散到冷却介质中的速率相对较低并且冷却介质表面上形成氧化物膜(外皮)的风险随着与惰性气体混合的氧气分数的升高而增加。

[0008] 专利RU2246561(2005年2月20日公告)公开了用于可控溶解冷却介质中的冷却介质氧化物的方法和装置，但不包括关于用于控制以气态形式注入到冷却介质中的氧气的可能性的任何数据。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种用于控制以气态形式供应的反应堆设备中并且更具体地核反应堆设备的冷却介质中的氧气浓度的方法和装置。此外，本发明的目的是确保核反应堆设备在不同模式(例如反应堆结构材料的钝化模式、正常运行模式、在保护性氧化物涂层破坏期间的异常模式以及其他)下的有效且安全的准备和运行。鉴于上述情况，本发明的其它目的是在用于控制(增加)冷却介质中的氧气浓度、提高用于氧气浓度控制的设备的安全性和提供确保核反应堆设备在所有模式下的安全准备和运行的设备控制系统的方法之间切换。

[0010] 本发明的目的是通过使用用于控制反应堆设备的冷却介质中的氧气浓度的方法来实现的，该反应堆设备包含反应堆、位于反应堆中的冷却介质、具有朝向反应堆的近冷却介质空间的出口的气体系统、置于冷却介质中保持固相冷却介质氧化物并且适于使冷却介质流过它的质量交换装置、部分置于冷却介质中并且部分安装在近冷却介质空间中并且适于从近冷却介质空间向冷却介质供应气体的分散器、以及位于冷却介质中的氧气传感器。

[0011] 使用该方法，按如下步骤进行：基于从冷却介质中的氧气传感器接收到的数据来估算冷却介质中的氧气浓度；将氧气浓度的估算值与可容许值进行比较；如果估算的冷却介质中的氧气浓度的变化表明浓度降低，则将降低值和/或降低速率与相应的阈值进行比较；如果冷却介质中的氧气浓度的估算值低于可容许值并且估算的氧气浓度的降低值和/或降低速率低于相应的阈值，则激活质量交换装置；如果冷却介质中的氧气浓度的估算值低于可容许值并且估算的氧气浓度的降低值和/或降低速率高于相应的阈值，则从系统向近冷却介质空间供应含氧气体和/或激活分散器。

[0012] 如果在激活质量交换装置或供应含氧气体和激活分散器之后，估算的冷却介质中的氧气浓度达到或超过可容许值，则该方法的优选选择提出停用质量交换装置或分散器和/或停止从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体。此外，除了停止从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体之外，可以从气体系统向近冷却介质空间供应无氧气体。

[0013] 本发明的目的还通过使用反应堆设备的冷却介质中的氧气浓度的控制系统来实现，该反应堆设备包含反应堆、位于反应堆中的冷却介质、具有朝向反应堆的近冷却介质空间的出口的气体系统、置于冷却介质中保持冷却介质的固相氧化物并且适于使冷却介质流过它的质量交换装置、部分置于冷却介质中并且部分置于近冷却介质空间中并且适于从近冷却介质空间向冷却介质供应气体的分散器、以及位于冷却介质中的氧气传感器。

[0014] 该控制系统包括：用于估算冷却介质中的氧气浓度的模块，其被设计为：接收来自冷却介质中的氧气传感器的数据、基于接收到的关于冷却介质中的氧气浓度的数据来估算氧气浓度、并且将估算值传送至用于将冷却介质中的氧气浓度的估算值与可容许值进行比较的模块；用于将冷却介质中的氧气浓度的估算值与可容许值进行比较的模块，其适于：获取来自氧气浓度估算模块的冷却介质中的氧气浓度的估算值并且将其与可容许值进行比较；用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块，其适于：估算冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率以及将估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率传送到用于比较所估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块；用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块，其适于：接收估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率并且将其与相应的阈值进行比较；用于控制质量交换装置的模块，其被配置为：如果估算的冷却介质中的氧气浓度低于可容许值并且估算的氧气浓度的变化值和/或变化速率低于相应的阈值，则激活质量交换装置；用于控制气体系统和/或分散器的模块，其被配置为：如果估算的冷却介质中的氧气浓度低于可容许值并且估算的氧气浓度的变化值和/或变化速率高于相应的阈值，则通过向近冷却介质空间供应含氧气体来激活气体系统和/或激活分散器。

[0015] 在其变体之一中，用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块可以被配置为：基于从用于估算冷却介质中的氧气浓度的模块接收到的估算的冷却介质中的氧气浓度来估算冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率。此外，用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块的一些变体可以适于：确定冷却介质中的氧气浓度的降低并且将信息传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块和/或用于控制质量交换装置的模块和用于控制气体系统和/或分散器的模块。

[0016] 在其优选实施例中，如果冷却介质中的氧气浓度的估算值达到或超过可容许值，则用于控制质量交换装置的模块适于停用质量交换装置，并且用于控制气体系统和分散器的模块适于停用分散器和/或停止从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体。此外，用于控制气体系统和分散器的模块可以适于从气体系统向近冷却介质空间供应无氧气体。

[0017] 本发明的目的还通过使用核反应堆设备来实现，该核反应堆设备包括：反应堆、位于反应堆中的冷却介质、具有朝向反应堆的近冷却介质空间的出口的气体系统、置于冷却介质中保持冷却介质的固相氧化物并且适于使冷却介质流过它的质量交换装置、部分置于冷却介质中并且部分置于近冷却介质空间中并且适于从近冷却介质空间向冷却介质供应气体的分散器、以及位于冷却介质中的氧气传感器。所提及的反应堆设备适于根据任何上述选择的方法或系统来控制冷却介质中的氢气浓度。

[0018] 本发明能够实现这样的技术效果：提供用于控制以气体形式供应的反应堆设备中特别是核反应堆设备的冷却介质中的氧气浓度的方法和装置。此外，本发明能够实现这样的技术效果：提供核反应堆设备在不同模式(例如反应堆结构材料的钝化模式、正常运行模式、在破坏保护性氧化物涂层期间的异常模式以及其他)下的有效且安全的准备和运行。除了上述技术效果之外，还实现了以下技术效果：在用于控制(增加)冷却介质中的氧气浓度；改进用于控制氧气浓度的设备的安全性、可靠性和延长其使用寿命和提供确保核反应堆设备在所有模式下的安全准备和运行的设备控制系统的方法之间进行切换。
附图说明

[0019] 图1示出了根据本发明的反应堆设备的示意图。

[0020] 图2示出了质量交换装置的实施例。

[0021] 图3示出了分散器的实施例。

[0022] 图4示出了冷却介质中的氧气浓度传感器的实施例。

[0023] 图5示出了根据本发明用于控制冷却介质中的氧气浓度的方法的框图。

[0024] 图6示出了根据本发明用于控制冷却介质中的氧气浓度的装置的实施例之一的结构图。

[0025] 图7示出了根据本发明用于控制冷却介质中的氧气浓度的装置的另一个实施例的结构图。

具体实施方式

[0026] 本发明适用于反应堆设备(例如，核反应堆设备)，如图1所示，该反应堆设备包括反应堆101、冷却介质104、气体系统108、质量交换装置114、分散器112和位于冷却介质104中的氧气浓度传感器110。

[0027] 反应堆101是罐，反应堆101的壁102是由具有反应堆设备的安全运行所必需的足够的机械、热、辐射和其它类型的耐久性的材料(例如，钢)制成的。由于反应堆堆芯103包含在放射性裂变过程中释放能量的放射性材料的事实，反应堆设备的安全运行特别重要。以热量形式的该能量的某些量子被传递到位于反应堆中并且与堆芯接触的冷却介质104(即，放射性材料位于冷却介质中)，并且被进一步输送到离辐射源一定距离处的热交换器107，在热交换器107中，热能被传递到其它材料(例如，水、蒸汽和其它吸热材料)。在本发明的一些实施例中，热交换器可以是设计用于产生蒸汽的蒸汽发生器，该蒸汽可以被用于加热其它介质或激活涡轮机。在热交换器107之后，热能通过公共设施系统传递到反应堆之外，而没有放射性污染的危险，因此放射性污染集中在反应堆内。对于此，由于放射性污染对周围区域的剧烈、不期望且长期的影响，特别强调反应堆的强度和安全运行。优选的是，使反应堆101中的冷却介质在覆盖堆芯和热交换器的回路中循环，用于从反应堆的堆芯103向热交换器107长期且有效的热量传递。泵可以被用于循环(图1中未示出)。

[0028] 随时间推移保持反应堆强度的重要因素之一是防止或减轻反应堆壁102、其增强件、固定装置、加强元件和其它元件的结构材料的腐蚀到可容许水平。当来自液态金属(例如钠、锂、铅、铋等)的冷却介质被用作冷却介质104时，也应考虑上述因素。重金属(铅、铋)具有优于轻金属的优势，因为它们增加安全性，特别是在低火灾危险方面。

[0029] 此外，由重金属制成的冷却介质具有这样的优点：在水进入的情况下其性质的稳定性。自然地，这样的冷却介质的物理和化学性质在水进入的情况下将改变，但是这样的改变将是微不足道的并且允许进一步运行。考虑到水以液态形式或以蒸汽形式存在或流动的设备(例如，热交换器或蒸汽发生器)的可能的事故或泄漏，这对于提高反应堆设备的安全性可能是有用的。即使热交换器或蒸汽发生器出现故障(有泄漏)，反应堆设备也可以在修理或更换故障(泄漏)设备之前运行，因为由于由重金属制成的冷却介质的物理和化学性质对液态或气态水的注入的无关紧要的(不严重的)依赖性，其允许这样的运行模式。

[0030] 为了减少对反应堆的结构材料的腐蚀作用，认为有利的是，例如通过向冷却介质供应氧气或含氧材料在冷却介质与结构材料之间的边界上形成氧化物涂层；于是，这样的材料可以通过冷却介质朝向反应堆壁传递，在反应堆壁处，氧气可以与结构材料(例如，钢)反应并且形成以氧化物膜的形式的氧化物。这样的防腐蚀保护的附加优点是由于氧化物的低导热性冷却介质与反应堆壁之间的热交换速率降低。

[0031] 氧气可以以几种方式注入到冷却介质中。为了实施这些方式之一，反应堆设备应当包括气体系统108，气体系统108具有朝向反应堆101的冷却介质104附近(在图1所示的优选实施例中，在冷却介质上方)的空间106的出口。冷却介质104仅占据反应堆罐的一部分，以减少由于加热期间冷却介质的热膨胀而导致的反应堆减压的危险。位于冷却介质104的表面105(“水平面”)上方的反应堆罐的上部106应当填充惰性气体(氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar))或惰性气体的混合物，以防止腐蚀和不期望的化学反应。气体系统108被设置成向冷却介质上方或其附近的空间供应气体，在其他实施例中，该空间可以是与冷却介质储存器分开的空间。

[0032] 气体系统108包括管线(管道)、隔离阀109、过滤器、泵以及在气体系统中通常使用的并且从本发明的背景中已知的其他设备。气体系统被连接到惰性气体和氧气源并且被配置为将它们混合。因此，气体系统不仅能够供应惰性气体或惰性气体的混合物。为了抵抗腐蚀，含氧气体，例如惰性气体和氧气的混合物(纯氧对反应堆的结构材料和液态金属冷却介质具有严重危险)，可以被供应到反应堆的近冷却介质空间。气体混合物可以含有1/5或更少的氧气，这样的比例表现出气体中所含的氧气的足够活性，而对结构材料和冷却介质没有不希望的风险。

[0033] 特别地，可以通过调节隔离阀(例如，具有电动或液压致动器的阀)或在互连管道/管线上的隔离阀的相关条件下激活驱动泵将惰性气体和氧气从具有加压气体的罐供应到气体系统的管线或混合罐，该驱动泵将这些气体从储存罐泵送到所需的混合罐或管线。这些气体或它们的混合物可以通过对隔离阀和/或泵的适当控制通过来自储存罐或混合罐的管线被供应到反应堆的近冷却介质空间(如果泵不能被激活，则气体可以通过增加的压力来供应，在该增加的压力下，它们被保持在相应的罐中)。

[0034] 如果含氧气体被供应到反应堆的近冷却介质空间，则氧气可以扩散到冷却介质中或氧化其组分(例如，铋和铅)；并且冷却介质氧化物可以通过对流或循环被转入到反应堆内部，在反应堆内部，它们可以基于与结构材料的组分(例如铁(Fe)、铬(Cr)、锌(Zn)以及其他)接触而氧化所述组分。其发生是由于这些组分对氧气具有比铋和铅更高的化学亲和力(例如，从而回收这些冷却介质组分)的事实。用于保持结构材料的表面上的氧化物膜以防止腐蚀的这样的方法可以例如在稳态模式中使用，在稳态模式中，用于结构材料组分的氧化的氧气的消耗符合从近冷却介质空间通过冷却介质的表面传送的氧气的流速(并且用于控制冷却介质中的氧气浓度的这种方法的实施可以由反应堆设备的控制系统来应对)。然而，用于保持防腐蚀保护所必需的冷却介质中的氧气浓度的这种方法具有这样的缺点：由于氧气从气体被动渗透到液态冷却介质中的低效率导致的过程的延迟作用和低可控性以及由于气体中氧气分数的增加导致氧气对反应堆的近冷却介质空间中的结构材料的高不利影响和在冷却介质表面上形成氧化物膜的危险的增加而致使冷却介质中氧气浓度的累积的不可能性。

[0035] 因此，通过冷却介质表面扩散将氧气注入到冷却介质中提供了几乎无限的氧气来源。但是，用于增加冷却介质中的氧气浓度的这样的方法不是非常准确，而且缓慢且不可控。结构材料的耐腐蚀性需要用于增加冷却介质中的氧气浓度的可控、精确且更快的方法。这样的方法可以通过使用置于冷却介质104中的质量交换装置114来提供。

[0036] 质量交换装置可以是用于要保持的冷却介质的固相氧化物的容器。例如，如果冷却介质由铅和/或铋组成，则质量交换装置可以包含以小颗粒形式的铅和/或铋的固相氧化物。固相氧化物可以溶解在冷却介质中，并且由于它们是冷却介质组分的氧化物的事实，在一定程度上影响将类似于来自气体介质的氧气的渗透和所述组分的氧化，但是在这种情况下，存在控制过程的强度的可能性。冷却介质应当流过质量交换装置以将冷却介质组分的固相氧化物溶解在冷却介质中。为此目的，包含例如以颗粒形式的冷却介质组分的氧化物的质量交换装置的壳体应当具有用于冷却介质流过的孔。

[0037] 冷却介质组分的固相氧化物在冷却介质中的溶解效率(速度)特别取决于冷却介质流过质量交换装置的速度。为了控制冷却介质流过质量交换装置的速度，可以在质量交换装置中或者在质量交换装置所在的反应堆罐的那部分中设置泵。该泵将以不同的速度泵送冷却介质，并且该泵的操作可以从外部(远程)控制。冷却介质流过质量交换装置的速度可以通过加热冷却介质的加热器来控制，并且从而发生其对流。加热器操作可以从外部(远程)控制。由于加热器没有配备活动元件的事实，加热器的使用具有优于泵的优点，这对于延长质量交换装置的使用寿命以及总体改进反应堆安全性非常重要，因为质量交换装置(以及因此加热器或泵)在高放射性活度下在热冷却介质中运行。

[0038] 冷却介质组分的固相氧化物在冷却介质中的溶解效率(速度)还取决于与冷却介质接触的组分的固相氧化物的体积和表面积。容纳氧化物(例如，以小颗粒的形式)并且冷却介质流过的罐的体积可以通过使用阀来控制，这进而可以远程控制，例如通过使用电动致动器。

[0039] 此外，固相组分在冷却介质中的溶解效率(速度)还取决于相互作用的冷却介质和/或冷却介质的固相组分的温度。它们的温度也可以通过加热器来控制，加热器的操作可以从外部(远程)控制。

[0040] 因此，有许多不同的方法来控制冷却介质固相组分在冷却介质中的溶解效率(速度)；其中一些上面进行了描述。在本发明中，所有这些方法统称为质量交换装置的“活化”(“激活”)，因为其与固相组分在冷却介质中的过度溶解相关联。在“未激活”(“停用”)状态下，即，当例如增加通过质量交换装置的冷却介质流的泵或加热器被关闭时，或者当阀被设置到冷却介质在最小量的冷却介质固相组分周围流动或者根本不在其周围流动这样的位置时，或者当用于升高冷却介质和/或其固相组分的温度以便增加相互作用效率的加热器被关闭时(根据用于增加固相组分在冷却介质中的溶解效率(速度)的上述方法给出示例；当使用其它方法时根据相应的冷却介质固相组分在冷却介质中的最小溶解效率(速度)来确定非激活或停用状态)，冷却介质固体组分在冷却介质中的溶解效率(速度)是最小的或等于零(在一般情况下，其可以具有一些值，因为冷却介质可以由于反应堆内的正常循环(但不是由于通过使用上述附加方法诱导流动)而通过质量交换装置，并且相互作用的当前温度可以导致其自身的溶解(而不是由于额外加热)。

[0041] 因此，当使用术语“激活质量交换装置”时，它是指增加冷却介质固相组分在冷却介质中的溶解效率(速度)的装置被接通。相反，术语“停用质量交换装置”是指增加冷却介质固相组分在冷却介质中的溶解效率(速度)的装置被关闭或被切换到效率(速度)具有最小可能值的位置。

[0042] 激活/停用可以确保两个或更多个设备活性状态。在两种状态的情况下，当质量交换装置可以具有最小(或零)活性和最大活性时，输送到冷却介质中的氧气可以由质量交换装置处于最大活性状态的时间来控制。如果质量交换装置形成更多的活性状态，则也可以控制氧气注入到冷却介质中的速度(即，每时间单位在冷却介质中溶解的固相组分的体积)。在极限情况下，可以提供质量交换装置活性的离散的、非模拟的、连续的值控制，这更加提高了控制冷却介质固相组分在冷却介质中的溶解效率(速度)的可能性，这进而提高了控制精度。

[0043] 图2示出了质量交换装置的可能实施例之一。质量交换装置包括由其壳体201形成、受底部202和盖203限制的罐。罐包括位于罐内冷却介质液面下方并且在顶部受穿孔格栅204限制的流动反应室210。限制格栅204防止在浮力下出现固相颗粒状氧化剂206。富氧冷却介质通过限制格栅204和位于限制格栅204上方的壳体壁201的上部的壳体壁201中的孔207离开质量交换装置，并且与反应堆设备主回路混合。

[0044] 置于格栅204下方的固相氧化剂206(特别是冷却介质组分的固相氧化物)当与冷却介质相互作用时溶解，并且使冷却介质富集氧气。位于反应室210中并且穿过穿孔格栅204的加热器205被设计用于加热反应室210中的冷却介质。入口孔208位于电加热器205的下端板的平面处的壳体201的壁中，用于在质量交换装置的操作期间使冷却介质移动通过置于反应室210中壳体201和电加热器205之间的间隙中的固相氧化剂层。出口孔207、入口孔208和格栅204中的孔优选形成为尺寸小于固相氧化剂的颗粒的窄槽的形式。

[0045] 当操作时，质量交换装置应当被浸入到冷却介质中，使得出口孔207处于冷却介质中。质量交换装置应当位于反应堆中，使得冷却介质流过安装位置。如果冷却介质层的高度不足以浸入质量交换装置，则安装位置应当配备有容器，质量交换装置的壳体沉没在该容器中。由于在电加热器205操作期间通过反应室的液态金属冷却介质的对流作用，冷却介质可以流过该容器。

[0046] 图2所示的质量交换装置如下操作。当打开电加热器205时，通过自然对流，冷却介质流过置于流动反应室210中壳体201与电加热器205之间的间隙中的颗粒状固相氧化剂206。冷却介质104(优选为液态金属冷却介质)从周围空间通过入口孔208到达质量交换装置，并且从底部向上移动(如箭头所示)通过置于反应室210中的颗粒状固相氧化剂206。固相氧化剂的小颗粒当与冷却介质相互作用时溶解在冷却介质中并且使冷却介质富集氧气。
富氧冷却介质通过出口孔207离开质量交换装置并且与反应堆主回路的冷却介质混合。通过改变电加热器的功率来控制容量值，即，每单位时间从质量交换装置供应的氧气的量。在高温下固相氧化剂的溶解速度增加。由于固相氧化剂(例如，氧化铅)的密度小于冷却介质(铅或铅-铋)的密度，所以冷却介质组分的固相氧化物向上移动并且被允许冷却介质流过的格栅204保持在冷却介质主体内。

[0047] 在加热元件205的上部有用于向加热元件205供应电压的电线115。由于激活质量交换装置仅需要通过加热器205加热冷却介质的事实，质量交换装置114的正常操作(图1所示)需要通过反应堆容器102的接线(电缆115)。电线将供应电流以加热质量交换装置的加热元件205，从而激活它。它提供对质量交换装置操作的安全远程控制(以及因此对冷却介质中的氧气浓度的控制)，因为这样的设计使反应堆容器中的孔的数量和尺寸最小化，并且避免渗入到反应堆容器中或反应堆的减压来控制冷却介质中的氧气浓度的必要性，这确保了反应堆容器的高度无泄漏和强度并且对反应堆设备的使用寿命和安全运行具有积极作用。

[0048] 质量交换装置充分地控制冷却介质中的氧气浓度，但其特征可能在于氧气浓度增加的不足的速率/效率。此外，消耗品(冷却介质组分的固相氧化物)的储备是有限的。可以在反应堆中安装几个增加容量的质量交换装置，但是在反应堆体积和反应堆设备的其它设备所需的空间方面可能存在限制。因此，需要用于增加氧气浓度的这样的方法，这样的方法将具有高的浓度增加速率/效率和注入到冷却介质中的高(无限)体积的氧气。

[0049] 为了提供用于增加冷却介质中的氧气浓度的这样的方法，反应堆101包括分散器112，分散器112还通过从冷却介质104的表面105上方的空间106将可能含有氧气的气体注入到冷却介质104中而提供增加冷却介质104中的氧气浓度的可控方式。为此目的，分散器
112被部分置于冷却介质104中并且部分置于近冷却介质空间104中。含氧气体可以直接从气体系统管线被注入到冷却介质中，但在这种情况下管线将沉没在冷却介质中，这可能导致管线的堵塞和阻塞，从而影响安全性并且降低反应堆设备的使用寿命。

[0050] 在图1所示的优选选择中，分散器112竖直安装，因为在这种情况下，冷却介质104上方的空间106可以被用作近冷却介质空间(因此，不需要附加措施来设置用于气体的单独空间)，并且分散器112被设置到延长其使用寿命的位置，因为冷却介质和固相氧化物不渗入到分散器中或使其堵塞，这延长了其使用寿命。由于分散器能够从近冷却介质空间向冷却介质供应气体，所以通过在特定情况下位于冷却介质上方的空间的分散器的上部中的孔携带的气体穿过分散器中的通道(例如，在轴中)向下并且从位于冷却介质中的其下部(在分散器的其他布局中，方向名称相应地改变)离开。

[0051] 为了将气体注入到冷却介质中，可以在近冷却介质空间中形成增加的压力；该压力将使气体被强制渗入到具有比分散器更小的内部压力的冷却介质中。压力值可以通过在该空间中或通过气体系统管线与该空间相邻的空间中的压力传感器来确定或者根据泵送到该空间中的气体的量来确定，泵送到该空间中的气体可以通过使用流量计来确定。为了使分散器出口孔不被堵塞，它们主要在置于冷却介质中的分散器的活动元件上(例如，在旋转分散器的下端上)形成。

[0052] 除了在近冷却介质空间中形成增加压力的气体之外，可以通过在冷却介质中形成局部低压区域(例如在分散器附近(通过冷却介质携带气体))来将气体注入到冷却介质中。这可以通过在可以具有叶片的分散器的下部中使用盘来实现。当旋转时，盘在离心力的作用下在冷却介质中形成低压区域。从冷却介质上方的空间通过纵向通道到达盘附近的下部孔的气体经过所述低压区域。由于在分散器(特别是盘)附近的冷却介质速度的梯度，即，当分散器附近的冷却介质比在远离分散器的区域中更快地移动时，以气泡形式进入冷却介质中的气体被碎裂成更小的气泡，从而形成气体冷却介质的细碎的双组分悬浮液。如果气体含有氧气，则提供有效增加冷却介质中的氧气浓度的条件。由于分散器具有活动(旋转)元件的事实，冷却介质在分散器表面附近移动(流过)，这清洗从分散器中出来的固体颗粒和膜，从而确保其自动自净化。这种性质总体上增加了分散器的使用寿命以及反应堆设备的使用寿命和运行的安全性。

[0053] 在图3所示的优选选择中，分散器可以具有两个盘，其中一个旋转，另一个不旋转。这样的组合在盘之间形成冷却介质的低压区域；气体可以从轴中或一个或两个盘中的孔到达该区域。由于在盘之间提供足够小的距离并且盘之一相对于另一个旋转是可能的，所以与两个盘都旋转的情况相比压力下降得更快。其结果是，注入到冷却介质中的气体的效率被提高，并且气泡变得更小，即，气体(特别是氧气)在冷却介质中的溶解效率被提高，并且从而氧气浓度被增加。

[0054] 由于气体系统操作的控制能力(其可以在近冷却介质空间中形成增加的压力)，并且由于分散器操作的控制能力(其在被动状态(盘不旋转)下不将气体从冷却介质上方的空间注入到冷却介质中并且在主动状态(盘旋转)下将含氧气体从冷却介质上方的空间注入到冷却介质中，并且气体注入到冷却介质中的速率(效率)可以取决于盘旋转速度)，含氧气体注入到冷却介质中和冷却介质中的氧气浓度被调控。具有旋转盘的分散器的应用是更加合理的，因为其不需要形成增加的压力以将气体从近冷却介质空间注入到冷却介质中，但其足以致动(“激活”)分散器，这简化并且由此提高了控制系统操作的可靠性。

[0055] 为了致动(“激活”)分散器，需要旋转轴和盘(或者轴之一和盘之一)。这可以通过使用例如电动马达来完成。为了降低冷却介质的高温和蒸汽对电动马达的破坏性影响并且因此延长其使用寿命，马达应当位于反应堆外部(尽管在一些实施例中它可以位于反应堆内部)。为了使分散器部件旋转，轴可以从电动马达穿过反应堆壁。为此目的，壁应当具有开口。然而，为了提高反应堆结构强度并且由此提高其运行安全性，优选实施例允许通过使用磁力联轴器将旋转从电动马达传递到分散器元件，该磁力联轴器的部件在反应堆壁的不同侧面上彼此相对安装。由磁力半联轴器形成的磁场可以将旋转力传递到位于反应堆壁的另一侧上的另一个半联轴器，从而致动分散器。如果分散器马达位于反应堆外部，则它可以通过图1所示的设计用于通过供应或不供应电压或改变其参数来向电动马达供应电力的电线(电缆)113来控制。

[0056] 在本发明中，通过电动马达致动分散器被称为“激活”分散器，并且当分散器停止操作时电动马达关闭被称为其“停用”。电动马达的旋转速度可以以不同的方式来控制：以二进制方式(切断/接通)，以不同的旋转速度或者具有在规定范围内设置任何旋转速度的可能性。因此，旋转速度越高，在冷却介质中溶解的气体(包括氧气)越多，并且形成的气泡越小。

[0057] 图3所示的固体电解质氧气传感器包括以下主要元件：具有静止的上盘的分散器壳体301；与下旋转盘303连接的中空轴302；将分散器紧固到反应堆容器的凸缘304；具有通过使用从动磁力半联轴器305将旋转传递到中空轴302的驱动磁力半联轴器306的电动马达307。电动马达307的半联轴器306被安装在反应堆壁102的外侧上，并且半联轴器305被安装在反应堆壁102的内侧上。

[0058] 在图3所示的优选选择中，分散器的上盘(定子)被刚性地连接到分散器壳体301。下旋转盘303被连接到旋转轴302。下盘和轴是中空的，它们的腔相互连接。在上部中，轴腔通过孔被连接到气体回路。在下盘的表面上冲压小直径的孔(至少12个孔)形成间隙；这些孔位于圆周方向上。上盘也可以具有用于将液态金属注入到盘之间的腔中的小孔。在上部中，旋转轴通过磁力半联轴器305和306被连接到由变频器供电的密封的电动马达307的轴。

[0059] 分散器被浸入到冷却介质中，使得轴上部中的孔位于液面上方，并且上盘和下盘位于液位下方。当密封的电动马达运转时，下盘以规定的角速度旋转。由于冷却介质相对于下盘运动，所以在间隙中形成低压区域，这引起气体通过其上部中的孔从下盘的空腔注入到间隙中。由于冷却介质的速度梯度，间隙中的气泡破裂，并且细碎的气相连同冷却介质从间隙到达冷却介质的主流。

[0060] 在分散器的其它实施例中，下盘可以是静止的，并且上盘可以是旋转的。此外，连接近冷却介质空间和盘中的孔的腔可以被置于轴中和壳体中。孔可以在旋转盘中和静止盘中(或两者中)形成。

[0061] 如上所述，气体分散器的操作原理是基于气泡一旦被注入到具有高速度梯度的流体中，气泡在液体中碎裂。由于施加到表面元件的Q力的不规则性，这样的流体中的大气泡被分解成小气泡。在分散器的优选选择中，气体分散器中的液体的高梯度流动在旋转盘和静止盘之间的间隙中形成。在所有其它条件相等的情况下气相分散程度取决于流体中的速度梯度。速度梯度通过减小盘之间的间隙或增加盘的相对运动的线速度来增加。

[0062] 反应堆101还在冷却介质104中配备有氧气传感器110。在优选选择中，其以氧气热力学活性传感器的形式形成；选择之一如图4所示。图4所示的固体电解质氧气传感器包含密封在反应堆容器405中的陶瓷感测元件401、参考电极402和由位于传感器腔中的下部406和上部111两部分组成的中心电极。

[0063] 陶瓷感测元件401由以与球的一部分互连的管状元件的形式的固体电解质制成。部分稳定的二氧化锆、完全稳定的二氧化锆或氧化铪可以被用于制造元件401。管状元件的侧面通过接合材料404被连接到反应堆容器405的内侧面，该接合材料404可以是玻璃陶瓷或压制石墨化碳纤维。

[0064] 传感器配备有由金属氧化物(例如，铝)制成的插塞403。该插塞具有孔并且覆盖陶瓷感测元件401的空腔的横截面。该插塞被设计成将参考电极402固定在陶瓷感测元件401的内部空腔中。参考电极402位于陶瓷感测元件401的内表面和插塞403的表面之间的空腔中并且占据空腔的至少一部分。参考电极402可以由铋、铅、铟或镓制成。

[0065] 中心电极406的下部的自由端面对球形元件的部分，通过插塞403中的孔被引出到参考电极402。它使参考电极402与中心电极406的下部之间能够电接触。陶瓷感测元件球体401的至少一部分突出超过由例如钢制成的反应堆容器405。在传感器操作期间，该突出部分被浸入到确定氧气活性的熔融金属中。

[0066] 反应堆容器405、陶瓷感测元件401和接合材料404的材料具有相等的热膨胀系数，并且耐操作环境的化学作用，例如铅在不超过650℃的温度下熔化。这允许在300-650℃的温度范围内在高达100℃/s的液态金属中的温度(热冲击)变化速率下保持传感器可操作。

[0067] 衬套408被焊接到反应堆容器405的自由部分。图1所示的中心电极111的上部作为电缆或电线从衬套408的空腔中出来并且穿过反应堆容器的壁102。衬套408与中心电极111的上部之间的环形空腔填充有介电材料410，优选为玻璃陶瓷。材料410确保传感器内部空腔的无泄漏性。防止氧气从空气进入到传感器的内部空腔并且改变参考电极性质是必要的。位于反应堆容器405的内部空腔中的中心电极406的下部被插入到隔离器407中，隔离器407优选由氧化铝制成。

[0068] 氧气热力学活性传感器的工作原理是基于测量由具有选择性氧气和离子传导性的固体电解质(例如，ZrO2+Y2O3)隔离的两个电极之间的电势差。两个电极之间的电势差的值是由可控介质与具有预先已知的氧电势的介质(参考电极)之间的氧电势的差形成。作为参考电极，可以使用例如{Bi}-的“液态金属固体氧化物”体系。从传感器接收到的电势差的值可以被转换为氧气热力学活性的值、其浓度或其他方便的值。在另一个实施例中，增加氧气浓度的方式可以根据从传感器接收到的电势差值来控制(例如，根据符合表或通过由经验或理论方法建立的公式对应)。

[0069] 可以将氧气传感器的直接或转换的读数(例如，氧气热力学活性)与阈值进行比较，并且根据比较结果，可以做出关于激活质量交换装置或分散器的决定。例如，可以规定如果氧气浓度低于阈值，则应当做出关于激活上述装置之一的决定以增加氧气浓度(例如，其热力学活性)。

[0070] 根据本发明，允许实现上述技术效果的用于控制氧气浓度的方法应当包括图5所示的以下步骤。

[0071] 首先，需要获取氧气传感器读数(步骤501)，基于从冷却介质中的氧气传感器接收到的数据来估算冷却介质中的氧气浓度(步骤502)，并且将估算的冷却介质中的氧气浓度与可容许值进行比较(步骤503)。如果氧气浓度低于可容许值(低于最小可容许值，即，超出可容许值的范围)，则应当估算冷却介质中氧气浓度的变化(步骤504)；其结果是，可以确定浓度变化的类型(浓度变化水平的增加、降低或维持)、变化率、变化值等。

[0072] 可以通过比较在不同时间从传感器110接收到的估算的冷却介质中的氧气浓度来估算浓度的变化以及这种变化的特性，或者可以通过使用不同装置接收以导数的形式的这种评估(例如，可以通过使用电容、电感元件等来执行硬件推导)或通过使用从本发明的背景中已知的任何其它方法来接收这种评估。该方法允许基于用于确定氧气浓度的同一传感器的读数来估算浓度的变化，这减少了位于反应堆中的设备的数量。这总体上简化了冷却介质和反应堆设备中氧气传感器的设计、制造和安装并且降低了其成本。此外，单一类型传感器的使用使得能够冗余以便确保安全性并且延长反应堆设备的使用寿命，因为其它类型的传感器不占据反应堆中的空间，并且由此为单一类型的附加传感器保留空间。应当指出的是，在单一类型的传感器冗余期间，设备是统一的。这导致反应堆设备的设计、制造和组装的简化和成本降低。

[0073] 在另一个实施例中，使用将提供对应于冷却介质中的氧气浓度的变化特性的值的氧气浓度传感器是可能的。这样的传感器可以被称为差分器。因此，可以使用两种或更多种类型的传感器(考虑其读数允许估算冷却介质中的氧气浓度的传感器)。由于所提到的传感器被设计用于确定同一值(氧气浓度)的不同特性，所以它允许通过不同类型的传感器读数的共同应用来接收那些特性和值的更精确的估算，以及在任何传感器故障的情况下采用其他传感器的适当处理的读数来替换一种类型的传感器的读数，这进而允许提高安全性并且延长反应堆设备的使用寿命。

[0074] 在优选实施例中，为了做出关于激活质量交换装置或分散器的决定，氧气浓度和氧气浓度的变化这两种评估是必要的，因为在氧气浓度被降低到低于可容许(阈)值(或值的范围)的水平之后激活上述装置是优选的，氧气浓度被降低到低于可容许(阈)值(或值的范围)的水平可以根据反映氧气浓度的读数来估算。是否激活质量交换装置或分散器的决定应当是基于对氧气浓度的变化的评估。

[0075] 接下来，需要确定估算的冷却介质中的氧气浓度的变化是否表明浓度降低(步骤505)，并且如果是，则需要将降低值和/或降低速率与相应的阈值进行比较(步骤506)。

[0076] 浓度的降低可以通过不同的方法来确定。例如，如果一个或多个后续的氧气浓度估算值低于一个或多个先前值，则可以认为氧气浓度已经降低。在另一个实施例中，如果使用差分氧气传感器，则如果该传感器的读数具有对应于浓度降低的值，则可以确定氧气浓度的降低。此外，氧气浓度的降低可以根据氧气浓度的变化值和/或变化速率的评估来确定。如果这些估算值具有负值，则可以识别出冷却介质中氧气浓度的降低。如果使用与氧气浓度变化的类似的估算值符号相反的氧气浓度的变化值和/或变化速率的估算值，则如果这些估算值具有正值，则可以识别出冷却介质中氧气浓度的降低。冷却介质中氧气浓度的变化(降低)值和/或降低速率可以基于冷却介质中的氧气传感器(例如，冷却介质中的氧气热力学活性传感器)的读数或基于反映氧气浓度的变化的差分传感器来确定。

[0077] 如果冷却介质中氧气浓度的估算值低于可容许值，观察到氧气浓度的降低，并且估算的氧气浓度的降低值和/或降低速率低于相应的阈值，则应当激活质量交换装置(步骤507)。否则，如果估算的冷却介质中的氧气浓度低于可容许值，观察到氧气浓度的降低，并且估算的氧气浓度的降低值和/或降低速率高于相应的阈值，则应当从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体(气体混合物)和/或应当激活分散器。

[0078] 在后一种情况下，在步骤508中五种替代方案是可能的。这些替代方案导致实现增加冷却介质中氧气浓度的必要的结果。替代方案之一提出，从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体，例如，以不引起压力增加但是置换无氧气体(例如，通过气体系统的第二管线)的量。为了将氧气注入到冷却介质中，分散器应当处于激活状态。因此，如果在供应含氧气体之前分散器处于例如用于将无氧气体(例如，氢气混合物)注入到冷却介质中的激活状态，则使用该替代方案。第二种替代方案提供的是，近冷却介质空间在分散器激活之前可以已经包含含氧气体，并且为了实现结果，即，将含氧气体注入到冷却介质中，并且由此增加氧气浓度，激活分散器是足够的。第三种替代方案提出，在实现必要的结果之前，近冷却介质空间中的气体不含氧气，并且分散器被关闭；因此，为了增加氧气浓度，不仅需要向近冷却介质空间供应含氧气体(在极限情况下，它可以是旨在与所述体积中的气体混合的纯氧)，而且还需要激活分散器。在第四种替代方案中，不激活分散器并且从气体系统以足以在近冷却介质空间中形成这样的压力的量(体积)或在足以在近冷却介质空间中形成这样的压力的压力下向近冷却介质空间供应含氧气体，这将使气体甚至通过不激活的分散器渗入到冷却介质中。在第五种替代方案中，从气体系统以足以在近冷却介质空间中形成这样的压力的量(体积)或在足以在近冷却介质空间中形成这样的压力的压力下向近冷却介质空间供应含氧气体，这将使气体通过分散器渗入到冷却介质中，并且分散器被激活。这允许延长分散器的使用寿命。

[0079] 所有这些替代方案具有的共同点是，仅在超过冷却介质中的内部压力的压力下在近冷却介质空间中存在含氧气体的情况下实现结果(即，增加氧气浓度)，冷却介质中的内部压力是指分散器的出口孔(一个或多个)处的压力。这些替代方案仅在它们用于形成所需压力差的方法和初始条件方面有所不同：分散器是否被激活或停用，以及在近冷却介质空间中是否存在含氧气体及其压力。从这个角度来看，如果执行上述动作中的任何一个并且导致通过分散器(或借助于分散器)将含氧气体从近冷却介质空间供应到冷却介质，则应当考虑使用本发明。

[0080] 如上所述，即使当在近冷却介质空间中形成增加的气体压力并且不激活分散器时，气体(包括含氧气体)也可以被注入到冷却介质中。但是在这种情况下，分散器的出口孔(一个或多个)可能被堵塞。因此，为了实现本发明的结果，即，提高反应堆设备的可靠性并且延长其使用寿命(这导致提高安全性和延长反应堆设备使用寿命)，当应用该方法将气体供应到冷却介质中(由于近冷却介质空间中气体的增加的压力)时，在任何情况下分散器应当被激活，使得浸入冷却介质中的下端处的出口孔(一个或多个)与冷却介质一起流动以防止其中或其上氧化物、沉积物、薄膜等的累积。这意味着在步骤508，分散器应当优选被激活，即使含氧气体以使近冷却介质空间中的气体压力增加的量从气体系统被供应到近冷却介质空间，这导致气体(具有氧气)进入到冷却介质中而不激活分散器(尽管不激活分散器的情况被包括在本发明中)。

[0081] 此外，即使没有激活分散器，以气体通过分散器靠其自身渗入到冷却介质中这样的方式完全控制近冷却介质空间中的气体压力由于大尺寸的气泡的形成可能是不期望的并且由于气体系统中的压力控制的精度比分散器旋转速度的控制更小以及因此分散器的旋转端(盘)附近的冷却介质中的压力局部降低是不准确的，因此，优选通过使用激活的分散器来控制冷却介质中的氧气浓度。

[0082] 如果使用包含激活分散器的方法来控制冷却介质中的氧气浓度，则应当使用本发明的所述步骤508的仅前三个替代方案。这些替代方案具有的共同点是，只要在近冷却介质空间中存在含氧气体并且实现分散器将气体从近冷却介质空间注入到冷却介质中就实现结果，即，氧气浓度的增加。这些替代方案仅在初始条件方面有所不同：分散器是否被激活或停用，以及在近冷却介质空间中是否存在含氧气体。从这个角度来看，如果执行上述动作中的任何一个并且导致通过分散器从近冷却介质空间向冷却介质供应含氧气体，则应当考虑使用本发明。然而，需要考虑到，在形成超过该空间中冷却介质的内部压力的压力(不仅在分散器附近局部，而且在整个空间中)以及不形成这样的压力的情况下，向近冷却介质空间供应含氧气体在任何情况下应当被认为是向近冷却介质空间供应含氧气体的结果，并且由此应当是本发明的实施例之一，应当落入本专利和专利权利要求保护的范围内。

[0083] 在激活质量交换装置(步骤507)或供应含氧气体和/或激活分散器(步骤508)之后，应当检查氧气浓度，例如，通过使用与先前相同的方法，即，通过估算规定的浓度。如图5所示，这可以通过返回到步骤501来进行。当在步骤502估算并且在步骤503中比较的冷却介质中的氧气浓度达到或超过可容许值(在其它实施例中接近/超过可容许值范围的上限)时，应当停用质量交换装置(步骤509)或应当停用分散器和/或应当停止从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体(如果近冷却介质空间中的氧气的自然消耗(例如由于扩散过程)不能足够快地结束或者需要将氧气从该空间完全去除，则无氧气体可以从气体系统被供应到近冷却介质空间；此外，无氧气体可以从气体系统被立即供应到近冷却介质空间中，这意味着含氧气体的供应结束，因为供应的气体不含氧气)。这允许将冷却介质中的氧气浓度维持在可容许范围内，即，冷却介质中的氧气浓度不超过可容许范围的上限。“冷却介质中的氧气浓度等于或超过可容许值”条件的监测与本发明旨在防止氧气浓度的降低并且质量交换装置和分散器可以仅增加冷却介质中的氧气浓度的事实相关。因此，为了实现本发明的目的，通过使用质量交换装置或分散器提供等于或超过可容许值的冷却介质中的氧气浓度是足够的；然后由于用于结构材料组分的氧化的冷却介质中的氧气的自然消耗，氧气浓度开始降低；当氧气浓度低于可容许值时，质量交换装置或分散器被重新激活。

[0084] 在氧气停止进入冷却介质之后，其在冷却介质中的浓度降低到可容许值范围的下限，并且当冷却介质中的氧气浓度(估算值)低于可容许值时(其优选是可容许值范围的下限)，则应当重新应用该方法，即，激活质量交换装置、供应含氧气体和/或激活分散器。对于根据本发明的方法的循环重复使用，在实施步骤507、508和509之后，进行到步骤501。在所示的实施例中，即使步骤505已经确定浓度没有降低反而增加，我们也继续到该步骤。在这种情况下，我们可以认为不需要步骤507或508，因为氧气浓度独立地增加(例如，如果在近冷却介质空间中存在含氧气体，并且氧气以足以增加冷却介质中的氧气浓度的量从气体渗入到冷却介质中)。

[0085] 由于方法的可重复性，我们可以确保其重复和冷却介质中的氧气浓度的自动控制，这允许减少合格人员的介入的必要性，并且在一定程度上排除他们参与反应堆设备运行控制。然而，当该方法不按照本发明循环时，存在一种选择。例如，步骤509可以不遵循可容许的氧气浓度恢复的条件来执行，而是在质量交换装置或分散器操作的特定时间之后激活计时器。接下来，控制系统可以进入待机模式以从步骤501运行该方法或者自动地从该步骤运行该方法，从而确保操作的可重复性和自动性。当氧气浓度的估算必须不受不同因素的影响并且需要停用质量交换装置或分散器被停用并且因此在读数的时刻不对传感器读数产生影响时，这可能是有用的。

[0086] 冷却介质中的氧气浓度的变化特性(例如速度、值以及其他)的阈值以及冷却介质中氧气浓度的可容许值的变量(范围)可以基于初步理论值或计算值来确定或者可以在启动和调节过程或检查工作(或组合)期间通过实验获得。具体的阈值和可容许值取决于反应堆设备的设计及其制造特征，并且可以甚至在一个反应堆类型内从一个反应堆设备到另一个变化，并且取决于用于操作反应堆设备的操作或准备模式。确保反应堆结构材料的腐蚀稳定性、其安全性和足够的氧气浓度或其增加的特性对于反应堆的腐蚀稳定性、安全性和长期运行可以是用于确定某些阈值和可容许值的标准。

[0087] 例如，在一个可能的实施例中，溶解在冷却介质中的氧气的浓度的阈值(可容许值)可以通过使用计算和实验方法来确定，并且具有通过以下公式计算出的值：

[0088] lgC＝-0.33-2790/T+lgCs+lgjCPb，

[0089] 其中С是溶解在冷却介质中的氧气的浓度，单位为重量％；

[0090] Т是回路中冷却介质的最高温度，单位为K；

[0091] Cs是在温度T下溶解在冷却介质中的氧气在饱和期间的浓度，单位为重量％；

[0092] j是冷却介质中铅的热力学活性因子，单位为重量％的倒数；

[0093] CPb是冷却介质中铅的浓度，单位为重量％；

[0094] lg是十进制对数的数学运算符(即，以10为底的对数)。

[0095] 例如，如果反应堆容器由KH18N10T 不锈钢制成并且铅与铋的共晶合金用作冷却介质，则在反应堆最大温度为623K(例如，在堆芯或反应堆壁附近)下最低可行的氧气浓度可以为2.6·10-10重量％(该值基于规定的数据和通过使用针对某些反应堆设备设计的实验或计算方法获得的数据来确定)。尽管事实是最低可行的氧气浓度允许用于反应堆设备的运行并且可以用作阈值(可容许值)，但是，例如，如果在测得的氧气浓度降低到低于最低可行的氧气浓度的值或近似于该值之后氧气浓度快速增加而没有时间延迟，则这种情况对于提高反应堆运行的安全性是不期望的。

[0096] 对于此，可以假设超过最低可行的氧气浓度的阈值或可容许值。例如，可以设定维-8 -7 -8持氧气浓度在6·10 -6·10 重量％范围内的目标。如果溶解的氧气的浓度降低到6·10
重量％的水平，则可以确定达到了最低阈值，并且可以通过使用在本发明中所描述的方法之一来做出关于增加冷却介质中的氧气浓度的决定。在做出该决定之后，溶解在冷却介质中的氧气的浓度增加并且当达到6·10-7重量％的值时，我们可以确定达到了上阈值并且因此可以做出停止增加冷却介质中的氧气浓度的决定。在一些实施例中，可以不使用上阈值，并且可以基于氧气浓度增加过程的时间或其他特性来确定氧气浓度的充分增加(例如，氧气浓度的增加可以在该过程从其开始达到目标值的持续时间之后停止)。

[0097] 冷却介质中氧气浓度增加的速度、量和/或其它特性的阈值可以通过使用与上述相同的方法和/或从本发明的背景中已知的其他方法来确定。

[0098] 该方法步骤应当优选以所示和所描述的顺序来实施，但是在一些实施方案中，只要可能，该步骤可以以不同的顺序或同时进行。

[0099] 用于控制冷却介质中的氧气浓度的这种方法的优点是基于以下方面：质量交换装置和分散器具有不同的效率(生产率)，这可以被确定为氧气浓度的增加速度，即，每时间单位体积中的氧气的增量。质量交换装置具有低(相对于分散器)的氧气浓度增加速率或效率，并且例如在正常操作条件下当与要补偿的氧气浓度的阈值和降低速率的偏差较低时可以使用。然而，分散器具有高(相对于质量交换装置)的氧气浓度增加速率，并且可以例如在异常模式中使用(例如，如果氧化物膜由于机械作用例如地震等而损坏)或在反应堆壁钝化(在其表面上形成氧化物膜)期间在操作开始时当与要补偿的氧气浓度的降低速率对应的氧气消耗速率较高时使用。

[0100] 这种分离允许一方面当使用质量交换装置时在正常条件下精确控制冷却介质中的氧气浓度，另一方面在异常或其他操作模式下通过分散器来给予增加氧气浓度的机会(或补偿氧气浓度的急剧下降)。精确控制氧气浓度和其快速生长(补偿急剧下降)的这些机会对于反应堆安全性至关重要。

[0101] 此外，取决于氧气浓度增加的所需速率(氧气注入到冷却介质中的效率)的用于增加氧气浓度的装置的这种分离允许延长质量交换装置的使用寿命，而不需要补充冷却介质组分氧化物。这是相当重要的指标，因为由于质量交换装置的有限的尺寸并且还由于接近质量交换装置或其可恢复性应当被限制以确保反应堆设备的安全运行的事实，冷却介质组分氧化物在质量交换装置中的储备是有限的，因为反应堆容器应当被密封。因此，用于增加冷却介质中的氧气体积(浓度)的两种不同的装置的应用还通过防止由于消耗材料(冷却介质组分的固相氧化物)的耗尽而导致的质量交换装置的故障而提高了反应堆的安全性，并且延长了反应堆设备的安全操作的时间(无需反应堆减压)，因为质量交换装置中的消耗材料的储备仅在正常条件下当待补偿的氧气浓度的降低速率很低时才消耗。

[0102] 为了实施控制反应堆设备的上述方法，可以使用根据本发明的控制系统。在图6和7中示出的这样的控制系统的两个实施例包括：用于估算冷却介质中的氧气浓度的模块
601、用于将冷却介质中的氧气浓度与可容许值进行比较的模块602、用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603、用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604、用于控制质量交换装置的模块605和用于控制气体系统和/或分散器的模块606。

[0103] 用于估算冷却介质中的氧气浓度的模块601适于：接收来自冷却介质中的氧气传感器110的数据，基于接收到的数据来估算冷却介质中的氧气浓度，并且将冷却介质中的氧气浓度的估算值传送到用于将估算的冷却介质中的氧气浓度与可容许值进行比较的模块602。

[0104] 用于将估算的冷却介质中的氧气浓度与可容许值进行比较的模块602适于：接收来自用于估算冷却介质中的氧气浓度的模块601的估算的冷却介质中的氧气浓度并且将其与可容许值进行比较。

[0105] 用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603适于：估算冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率，以及将估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604。

[0106] 在一个实施例中，用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603可以适于确定冷却介质中的氧气浓度的降低。在这种情况下，只要用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603已经确定冷却介质中的氧气浓度正在降低，估算的冷却介质中氧气浓度的降低值和/或降低速率就可以被传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604。于是，不需要将关于冷却介质中的氧气浓度的降低的数据传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604，并且用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604可以投入使用并且一旦接收到来自模块603的关于冷却介质中的氧气浓度的降低的指定数据就控制用于控制质量交换装置的模块605和用于控制气体系统和/或分散器(或传送数据处理的结果)的模块606的操作。

[0107] 在另一个实施例中，估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率可以被不断传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604。在这种情况下，用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604可以基于估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率的值在相应范围内来确定氧气浓度的降低(例如，如果表征冷却介质中的氧气浓度的降低的值被传送，则这些特性的正值应当对应于浓度的降低，并且负值应当对应于浓度的增加；如果表征氧气浓度的变化的值被传送，则这些特性的正值应当对应于浓度的增加，并且负值应当对应于浓度的降低；所传送的特性的选择和相应的范围应当符合本系统的主要目的，即，改善当冷却介质中的氧气浓度降低时的情况)。用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604可以投入使用并且当已经确定所获得的值在对应于氧气的浓度的降低的范围内时控制用于控制质量交换装置的模块和用于控制气体系统和/或分散器(或传送数据处理的结果)的模块的操作。

[0108] 在另一个实施例中，估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率可以被不断传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604，而用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603还适于确定冷却介质中的氧气浓度的降低并且将关于冷却介质中的氧气浓度的降低的确定的信号传送到用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604。然后，一旦从用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603接收到这样的信号，用于比较估算的冷却介质中的氧气浓度的降低的模块604就可以被激活(执行其功能)。

[0109] 用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603能够基于差分传感器的读数来确定冷却介质中的氧气浓度的降低和这种降低的特性，该差分传感器产生以详细数据的形式的读数并且在附图中示出。然而，在优选实施例中，用于估算冷却介质中的氧气浓度的降低的模块603适于基于从用于估算冷却介质中的氧气浓度的模块601接收到的冷却介质中的氧气浓度的估算值来估算冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率(并且如果可能的话确定冷却介质中的氧气浓度的降低)。其结果是，安装在反应堆中的传感器的数量减少。在最终实施例中，冷却介质中的氧气浓度的估算值可以直接从模块601传送到模块603，如图7所示，或者通过用于将估算的冷却介质中的氧气浓度与可容许值进行比较的模块602传送到模块603，如图6所示。应当指出的是，图6所示的模块602和603之间的连接主要被设计用于将氧气浓度评估与可容许值的比较结果传送到模块603，并且冷却介质中的氧气浓度的估算值可以不被传送(例如，当模块603从单独的传感器接收关于冷却介质中的氧气浓度的变化的数据或者基于传感器110的读数来执行估算时)。

[0110] 用于比较冷却介质中的氧气浓度的估算值的模块604将估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率与相应的阈值进行比较并且将比较结果传送到用于控制质量交换装置的模块605和用于控制气体系统和/或分散器的模块606。将估算的冷却介质中的氧气浓度的降低值和/或降低速率与相应的阈值进行比较，即，将冷却介质中的氧气浓度的降低值与冷却介质中的氧气浓度的降低值的阈值进行比较，并且将冷却介质中的氧气浓度的降低速率与冷却介质中的氧气浓度的降低速率的阈值进行比较。

[0111] 如果估算的冷却介质中的氧气浓度低于可容许值并且如果估算的氧气浓度的变化值和/或变化速率低于相应的阈值，则用于控制质量交换装置的模块605可以激活质量交换装置114。

[0112] 如果估算的冷却介质中的氧气浓度低于可容许值并且如果估算的氧气浓度的变化值和/或变化速率高于相应的阈值，则用于控制气体系统和/或分散器的模块606可以通过向近冷却介质空间供应含氧气体来激活气体系统和/或激活分散器(取决于哪一个对含氧气体开始注入到冷却介质中是必要的)。为了激活气体系统，模块606可以控制包括在气体系统中的隔离阀和泵。

[0113] 此外，只要估算的冷却介质中的氧气浓度达到或超过可容许值，用于控制质量交换装置的模块605就可以停用质量交换装置，并且用于控制气体系统和分散器的模块606就可以停用分散器和/或停止从气体系统向近冷却介质空间供应含氧气体(或者可以从气体系统向近冷却介质空间供应无氧气体)。

[0114] 图6示出了用于控制反应堆设备的装置的线性结构，其中信号和数据从一个模块被传送到下一个模块、从下一个模块被传送到后续的一个模块等等(除了直接连接到质量交换装置114和气体系统和/或分散器112并且控制它们的操作的模块605和606)。在这种情况下，处理数据的模块601-604可以基于从前一模块或传感器接收到的数据来仅传送它们自己处理的结果，或者可以将从前一模块或传感器接收到的所有数据连同它们自己处理的结果传送到下一个模块。在这样的实施例中，模块605和606可以接收来自模块604的关于相应设备的激活/停用的信号、启用/禁用相应设备的激活/停用(例如，以二进制形式)的信号或表明可以具有从零到最大值的相应设备的所需激活的程度或范围的信号。

[0115] 图7示出了控制装置的并行结构，模块601和603将其自己处理的结果传送到用于与给定的阈值进行比较的模块602和604(如图7所示；模块601还可以将其自己处理的结果传送到模块603，但这不是必须的)并且模块602和604的处理结果被传送到模块605和606以进一步比较并且能够激活/停用相应的设备。为了激活/停用相应的设备，需要关于冷却介质中的氧气浓度的降低低于可容许值的数据(该数据从模块602传送)，以及关于冷却介质中的氧气浓度的降低值/降低速率的数据(该数据从模块604传送)。

[0116] 此外，根据本发明的控制装置(系统)的正确操作需要关于冷却介质中的氧气浓度的降低的数据以及模块605和606从关于从模块604接收到的冷却介质中的氧气浓度的降低值/降低速率的数据中提取该数据、接收关于来自模块604的具有这种降低特性的冷却介质中的氧气浓度的降低的信息、或接收关于来自模块603的冷却介质中的氧气浓度的降低的数据(后一实施例在图7中示出)的能力。在图7所示的控制装置的实施例中，模块605和606不仅控制致动装置(质量交换装置、气体系统(特别是其阀和泵)、分散器)，而且分析输入数据并且基于这些数据来做出决定。

[0117] 根据本发明的控制装置(控制系统)的结构可以具有可以组合通过排除或替换而接收的上述临时选择或选择的其他配置。给出图6和7所示的结构图以及图5所示的控制方法的框图、图1-4所示的反应堆设备和装置的实施例仅用于说明，并且可以限制本发明的专利权利要求的范围。以单数形式表示的任何动作、对象、模块、元件、设备以及其他属性也可以被认为和在设备或方法中存在多个一样使用，并且相反地，如果表示复数个，则对于这样的属性的使用，一个对象或动作可能是足够的。

[0118] 控制系统可以是自动的，即，系统可以基于由系统接收和处理的数据来独立地做出和实施所有决定。这样的自动操作形成闭合循环，该闭合循环包括含氧冷却介质、氧气传感器、处理和决策模块、用于控制致动装置的模块，该致动装置影响冷却介质；这种影响的结果通过使用氧气传感器来重新估算，并且再次做出关于对冷却介质中的氧气浓度的控制的决定。

[0119] 冷却介质中的氧气浓度的这样的自动控制的优点是可以避免合格人员参与反应堆设备控制的必要性。然而，由于在无限制的正反馈的情况下控制循环的封闭，它可能导致反应堆设备运行条件超过可容许限制的风险，其中试图控制参数的不期望的偏差导致参数在不期望的方向的更大偏差(这可能由于处理算法的缺陷和设备故障而发生)。

[0120] 在另一个实施例中，冷却介质中的氧气浓度的控制系统可以通过参与数据处理和/或决策的人员来实施。这种选择需要高度合格的专家参与。这将确保考虑所有可能的参数并且将反应堆设备切换到危险或关键操作模式，因为与自动设备相比人类能够自适应地估计当前情况并且考虑到安全性和长期运行问题来改变动作计划。

[0121] 为了使人员能够接收数据并且与控制系统相互作用，反应堆设备可以具有配备有指示装置(例如光指示器(光板、显示器、信息板等))、音频指示器(扬声器、蜂鸣器、警报系统等)以及其他(例如触觉显示器)的控制板。此外，控制板可以配备有用于请求必要信息、测试和输入控制命令的输入设备。输入设备可以是从本发明的背景中已知的按钮、拨动开关、控制杆、键盘、传感器、触摸板、追踪球、鼠标、传感器面板和其他输入设备。考虑到各种信息设备，为了使人员更方便地使用面板，控制板可以扩展。该设备可以包括轮椅，除了操作舒适性之外，该轮椅确保快速和容易地接近控制板的较远部分，并且操作者可以由于椅子滚动的前进运动而容易地离开当前位置并且快速到达所需位置。

[0122] 然而，应当指出的是，控制系统的两个实施例，一个自动，一个包含人员，都具有某些缺点。手动控制可能具有这样的缺点：与反应堆设备的要求相比，人员数据处理和决策速度低。另一方面，在数据处理故障或不完整的算法的情况下，全自动控制系统可能是不安全的。其结果是，可以实施控制系统的组合实施例，即，数据处理和控制在自动模式下执行，但是通过使用指示装置来显示数据，并且在任何参数超过可容许限制(或接近可容许限制)的情况下，或在任何必要时，合格人员可以调节自动控制系统的操作或手动控制它。

[0123] 控制系统的模块可以在基于分立电子部件、集成微电路、处理器、组件、机架等的硬件中执行。控制系统可以是模拟的、数字的或组合。电连接到位于反应堆或控制板中的设备并且控制其操作或处理数据的模块可以包括电压、电流、频率、模拟信号到数字一次和数字到模拟信号的转换器、驱动器、电流或电压源以及控制元件。所有这些元件和模块都可以位于一个或多个安装板上，可以共享一个板或部件，或者相应地分离，或者可以在不使用安装板的情况下执行和安装。

[0124] 控制系统模块也可以在软件中执行。为此目的，具有可编程逻辑的集成微电路、控制器、处理器和计算机可以用作硬件；而软件将包括具有通过连接到反应堆设备和装置的指示的微电路、控制器、处理器、计算机等执行的命令和代码的程序。该程序应当被存储在存储器单元中，该程序可以以从本发明的背景中已知的各种形式来执行并且可以是由计算机读取的数据载体：只读存储器、硬盘驱动器和软盘、光盘、闪存驱动器、帧存储器等。该程序可以包括用于实施根据本发明的方法和算法的整体或部分代码链或命令。微电路、控制器、处理器和计算机可以被连接到可以单独位于或被包括在控制板中的输入/输出设备。控制系统的单独模块可以是软件模块或者被组合成一个或多个程序以及一个或多个软件包或元件。

[0125] 控制系统及其模块可以作为硬件和软件二者来执行，即，部分模块或所有模块可以以硬件执行，并且部分模块或控制设备可以被制成软件。在优选实施例中，反应堆设备的控制模块(质量交换装置、气体系统、分散器)和用于传感器转换的模块可以被制成硬件，并且用于处理数据和命令、信息显示和控制处理参数(例如阈值和可容许值)的模块可以基于计算机、处理器或控制器被制成软件。此外，可以生产专用集成电路。这样的电路应当包含具有下载到这些电路中的数据处理的程序或参数的所有必需的硬件元件。

[0126] 在优选实施例中，所有电子元件和其他元件和部件应当被制成防辐射的，以允许作为核反应堆设备(核反应堆设备可以是电离辐射的来源)的一部分的部件的操作和系统整体的可操作性，以及甚至在事故条件下保持反应堆运行控制的能力并且防止可能的不利影响，从而确保增强的安全性和长的使用寿命。

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